CN108281680A - 一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂，包括Pt催化剂和载体，所述载体背面涂覆有网状吸附层，所述吸附层为含氧化铜吸附层，本发明还提供上述一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂的制备方法。本发明使用金属氧化物浸渍后作为催化剂载体保护层，通过其对二氧化硫的选择性催化和吸附提高催化剂的使用寿命，防止催化剂中毒；氧化铜催化剂具有良好的电催化活性和稳定性，该保护膜通过将对二氧化硫进行选择性吸附，可以解决传统燃料电池阴极空气中引入的微量二氧化硫导致的Pt催化剂中毒问题。

Description

一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。在所述阳极中，通过催化剂经由氢气或甲醇的氧化产生质子。这些质子穿过所述质子传导膜并且到达所述阴极，在所述阴极中所述质子与氧气在催化剂的存在下反应，从而发电。因此，在具有如上所述的这样的结构的燃料电池中，所述催化剂的作用是关键性的。质子交换膜燃料电池由于使用空气作为氧气来源，Pt催化层易吸附空气中的微量二氧化硫等导致催化剂中毒，严重影响其催化效率及使用寿命，传统研究主要针对Pt催化剂本身改性如合金化等降低其二氧化硫中毒的影响，但效果不佳，因此针对抑制Pt催化剂中毒的研究具有十分重要的实际意义。
中国发明专利CN201610211099.9公开了一种花状铜/氧化铜微纳米复合材料负载贵金属燃料电池催化剂的制备方法，属于燃料电池催化剂的合成技术领域。本发明的技术方案要点为：以氯化铜为铜源，葡萄糖为碳源，十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂和结构导向剂，去离子水为溶剂，水热合成花状铜/氧化铜微纳米复合材料，再将花状铜/氧化铜微纳米复合材料功能化后与贵金属前驱体在还原剂的作用下反应得到目标产物。本发明氧化铜作为过渡金属氧化物可以通过助催化作用，提高贵金属催化剂的活性，减少贵金属的用量，降低燃料电池催化剂的成本；载体中铜单质与氧化铜组成复合材料，铜的加入有效增强了材料电子传导性能，改善了过渡金属氧化物导电性差的问题。但是目前纳米多孔金属都是通过强酸或强碱等化学试剂将两元或多元合金中的活泼组分腐蚀掉制备的。由于强酸或强碱等强腐蚀性试剂的使用，制备过程中需要对操作人员进行有效的防护，生产设备也需要用耐腐蚀材料制作，从而增加了制备的成本。
中国发明专利CN201611138558.1公开了一种钯铁氧化物燃料电池催化剂，在活性炭上负载Pd和Fe元素，结构式为PdFe/C，所述PdFe负载量为20～50％；所述PdFe粒径为3.5～4.5nm。本发明还公开了该催化剂的制备方法。本发明首先制备负载型单分散纳米晶碳负载铁纳米晶Fe/C，并在水溶液中与钯盐溶液进行自发置换反应，由于钯前驱体的还原电势力高于铁金属电势力，从而得到双金属PdFe/C1催化剂；然后采用高纯氩气热处理得到PdFe/C2催化剂。本发明催化剂的金属负载量为20～50％，其具有对甲酸电催化氧化更强的催化能力、更高的催化效率、更强的抗一氧化碳中毒能力和较低成本等优点，可用于制备直接甲酸燃料电池催化剂。此发明这种结构是通过自发置换反应的方法制备的，制备工艺复杂，制备能力有限，严重限制了它的应用。
中国发明专利CN201610135099.5公开了一种提高燃料电池阳极催化剂抗中毒性的复合载体。将活化处理后的碳化钛和预处理后的碳材料按质量比0.1~1:1复合制得燃料电池阳极催化剂载体；所述的碳材料包括导电炭黑和多壁碳纳米管中的一种。该复合载体担载单一或多元贵金属后，制得质子交换膜阳极催化剂，应用于碱性燃料电池的有机小分子的阳极电催化氧化。相比其它单一碳载体，本发明的复合载体表面可以提供更多的含氧物种，这些含氧物种通过双功能机理可以促进催化剂上吸附反应中间物的氧化，有效地提高催化剂对中毒物种的抵抗能力，从而提高燃料电池的性能。
但是，即使通过上述改性方法对前述的燃料电池催化剂进行改性，燃料电池催化剂的中毒的问题的解决方案仍不理想，结合我们对质子交换化学反应机理的理解和对直接置换反应的认识，以及对有机小分子电氧化机理的认识，我们发展了一种非常简便的方法，制备出在Pt催化剂的载体背面涂覆有网状吸附层，来达到抑制Pt催化剂中毒的效果。
发明内容
本发明的第一个目的是针对现有燃料电池催化剂的抑制Pt催化剂中毒仍不理想以及其存在的问题，提出一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂。
本发明的第二个目的是提供上述一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂的制备方法，在Pt催化剂的载体背面涂覆有网状吸附层，来达到抑制Pt催化剂中毒的效果。
本发明的第三个目的是提供包含上述燃料电池催化剂在燃料电池中的应用。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池催化剂，包括Pt催化剂和载体，所述载体背面涂覆有网状吸附层，所述吸附层为含氧化铜吸附层。
Pt催化剂具有催化活性高，选择性强，催化剂制作方便，使用量少，可以通过制造方法的变化和改进，与其他金属或助催化剂活性组分复配等，优化催化性能，应用领域广，能够反复再生和活化使用，寿命长，废催化剂的金属可以回收再利用等优越性。
优选的，所述含氧化铜吸附层中氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为1～5∶0.1～0.6∶0.5～1。
优选的，所述载体是惰性多孔无机载体，其选自金属氧化物载体或陶瓷载体。
含氧化铜吸附层附着于载体的背面，形成可以分解下分子的氧化型和还原型的活性中心。本发明的含氧化铜吸附层通过氧化、还原和吸附作用，这些活性中心对空气中多种有害的有机气体分子有广谱的去除作用。
本发明另一方面提供一种燃料电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、在70～90℃下将硫酸铜溶解为饱和溶液，缓慢加过量氨水并震摇，制备出铜氨络离子溶液；
步骤B、将步骤A的制备出铜氨络离子溶液加入氧化铜和氧化锰，搅拌使之混合均匀，移入行星式球磨机，使得氧化铜和氧化锰在制备出铜氨络离子溶液浸渍下混合球磨，形成固液混合物浆体；
步骤C、步骤B的混合物浆体，均匀涂覆在已负载Pt催化剂的载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中进行热处理4～8小时，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。
优选的，步骤C中，
其中在100～200℃的温度下进行热处理。
优选的，步骤B中，
氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为1∶0.1∶0.5。
优选的，步骤B中，
氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为5∶0.6∶1。
本发明的另一方面提供一种使用上述制备方法制备的燃料电池催化剂在燃料电池中的应用。
本发明一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
使用氧化铜、氧化锰等金属氧化物在硫酸铜浸渍下混合球磨，将浆体均匀涂覆在催化剂载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中进行低温热处理，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。使用金属氧化物浸渍后作为催化剂载体保护层，通过其对二氧化硫的选择性催化和吸附提高催化剂的使用寿命，防止催化剂中毒；氧化铜催化剂具有良好的电催化活性和稳定性，该保护膜通过将对二氧化硫进行选择性吸附，可以解决传统燃料电池阴极空气中引入的微量二氧化硫导致的Pt催化剂中毒问题。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本发明提供的一种燃料电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、在70℃下将硫酸铜溶解为饱和溶液，缓慢加过量氨水并震摇，制备出铜氨络离子溶液；
步骤B、将步骤A的制备出铜氨络离子溶液加入氧化铜和氧化锰，使得氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为1∶0.1∶0.5，搅拌使之混合均匀，移入行星式球磨机，使得氧化铜和氧化锰在制备出铜氨络离子溶液浸渍下混合球磨，形成固液混合物浆体；
步骤C、步骤B的混合物浆体，均匀涂覆在已负载Pt催化剂的载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中100℃的温度下进行热处理8小时，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。
实施例2
本发明提供的一种燃料电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、在80℃下将硫酸铜溶解为饱和溶液，缓慢加过量氨水并震摇，制备出铜氨络离子溶液；
步骤B、将步骤A的制备出铜氨络离子溶液加入氧化铜和氧化锰，使得氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为5∶0.6∶1，搅拌使之混合均匀，移入行星式球磨机，使得氧化铜和氧化锰在制备出铜氨络离子溶液浸渍下混合球磨，形成固液混合物浆体；
步骤C、步骤B的混合物浆体，均匀涂覆在已负载Pt催化剂的载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中150℃的温度下进行热处理6小时，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。
实施例3
本发明提供的一种燃料电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、在90℃下将硫酸铜溶解为饱和溶液，缓慢加过量氨水并震摇，制备出铜氨络离子溶液；
步骤B、将步骤A的制备出铜氨络离子溶液加入氧化铜和氧化锰，使得氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为2.5∶0.3∶0.8，搅拌使之混合均匀，移入行星式球磨机，使得氧化铜和氧化锰在制备出铜氨络离子溶液浸渍下混合球磨，形成固液混合物浆体；
步骤C、步骤B的混合物浆体，均匀涂覆在已负载Pt催化剂的载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中200℃的温度下进行热处理4小时，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。
实施例4
本发明提供的一种燃料电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、在85℃下将硫酸铜溶解为饱和溶液，缓慢加过量氨水并震摇，制备出铜氨络离子溶液；
步骤B、将步骤A的制备出铜氨络离子溶液加入氧化铜和氧化锰，使得氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为2∶0.2∶0.7，搅拌使之混合均匀，移入行星式球磨机，使得氧化铜和氧化锰在制备出铜氨络离子溶液浸渍下混合球磨，形成固液混合物浆体；
步骤C、步骤B的混合物浆体，均匀涂覆在已负载Pt催化剂的载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中200℃的温度下进行热处理7小时，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。
实施例5
本发明提供的一种燃料电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、在80℃下将硫酸铜溶解为饱和溶液，缓慢加过量氨水并震摇，制备出铜氨络离子溶液；
步骤B、将步骤A的制备出铜氨络离子溶液加入氧化铜和氧化锰，使得氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为3∶0.4∶0.6，搅拌使之混合均匀，移入行星式球磨机，使得氧化铜和氧化锰在制备出铜氨络离子溶液浸渍下混合球磨，形成固液混合物浆体；
步骤C、步骤B的混合物浆体，均匀涂覆在已负载Pt催化剂的载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中190℃的温度下进行热处理5小时，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。
实施例6
本发明提供的一种燃料电池催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、在80℃下将硫酸铜溶解为饱和溶液，缓慢加过量氨水并震摇，制备出铜氨络离子溶液；
步骤B、将步骤A的制备出铜氨络离子溶液加入氧化铜和氧化锰，使得氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为4∶0.5∶0.9，搅拌使之混合均匀，移入行星式球磨机，使得氧化铜和氧化锰在制备出铜氨络离子溶液浸渍下混合球磨，形成固液混合物浆体；
步骤C、步骤B的混合物浆体，均匀涂覆在已负载Pt催化剂的载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中190℃的温度下进行热处理6小时，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。
实施例1制得的燃料电池催化剂的二氧化硫电化学氧化性能的测试条件如下：
1、60mg亚硫酸钠溶于50ml0.1M高氯酸溶液中，制得溶有二氧化硫的电解液。
2、将电极置于经高纯氮气除氧的0.1M高氯酸电解质溶液中，以50mV/s的扫描速率在0.0~1.2V（vs.RHE）的电势范围内扫10圈CV。
3、将电极移至溶有二氧化硫的电解液中，将电势恒定在0.62V（vs.RHE），持续3min，让二氧化硫分子在催化剂表面吸附。
4、取出电极并用大量0.1M高氯酸溶液冲洗，放入经高纯N2除氧的0.1M高氯酸电解质溶液中，以50mV/s的扫描速率在0.0~1.5V（vs.RHE）的电势范围内再次扫10圈CV。
经测试，催化剂对二氧化硫的电化学氧化峰值电位较之载Pt催化剂降低了40mV，说明本发明所述催化剂具有良好的抗二氧化硫中毒性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种燃料电池催化剂，包括Pt催化剂和载体，其特征在于，所述载体背面涂覆有网状吸附层，所述吸附层为含氧化铜吸附层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂，其特征在于，所述含氧化铜吸附层中氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为1～5∶0.1～0.6∶0.5～1。
3.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂，其特征在于，所述载体是惰性多孔无机载体，其选自金属氧化物载体或陶瓷载体。
4.一种如权利要求1所述的燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A、在70～90℃下将硫酸铜溶解为饱和溶液，缓慢加过量氨水并震摇，制备出铜氨络离子溶液；
步骤B、将步骤A的制备出铜氨络离子溶液加入氧化铜和氧化锰，搅拌使之混合均匀，移入行星式球磨机，使得氧化铜和氧化锰在制备出铜氨络离子溶液浸渍下混合球磨，形成固液混合物浆体；
步骤C、步骤B的混合物浆体，均匀涂覆在已负载Pt催化剂的载体背侧，之后将Pt催化剂-载体-含氧化铜吸附层放入真空炉中进行热处理4～8小时，使含氧化铜吸附层在载体背面形成均匀网状吸附层。
5.根据权利要求4所述燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，步骤C中，
其中在100～200℃的温度下进行热处理。
6.根据权利要求4所述燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，步骤B中，
氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为1∶0.1∶0.5。
7.根据权利要求4所述燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，步骤B中，
氧化铜、氧化锰和硫酸铜的质量比为5∶0.6∶1。
8.权利要求1～7所述的燃料电池催化剂在燃料电池中的应用。
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